مبدأ عمل “آلة البكرة” والفائدة الميكانيكية المترتبة عليها

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

آلة البكرة مبدأ عمل آلة البكرة الفائدة الميكانيكية المترتبة على آلة البكرة الفيزياء

كي تقوم برفع أثقال ضخمة حقاً ستحتاج إلى أداة تسمى البكرة. والبكرات هي عبارة عن آلات بسيطة تعمل على تقليل الجهد الذي يتطلبه نقل أحد الأحمال. وسنكتشف في هذا النشاط كيف تقوم البكرات بتغيير القوة بحيث تعمل في صالحك.

ندرك جميعاً أن سحب جسم ما نحو الأسفل أكثر سهولة من رفعه نحو الأعلى. فعندما تقوم بسحب أحد الأثقال نحو الأسفل يمكن أن يساعدك جسمك كله في عملية السحب. ولكن عندما تقوم بالرفع يجب عليك استخدام عضلات ذراعيك بصورة رئيسة.

والبكرة عبارة عن آلة بسيطة تقوم بتحويل السحب نحو الأسفل الأكثر سهولة إلى قوة سحب أو شدّ نحو الأعلى بحيث يتسنى رفع الأحمال الثقيلة بجهد أقل. ويُطلق على عملية تقليل الجهد مصطلح الفائدة الميكانيكية.

 

ويسمى دولاب البكرة المحززة التي تستخدم الحبال البكرة المحزوزة. وتقوم البكرة الأحادية المثبتة التي تتكون من أخدود (حزّ) واحد داخل علبة معدنية (انظر الصورة) بتغيير اتجاه القوة.

لو قمت بإدخال حبل مربوط بحمولة معينة عبر بكرتين إحداهما مربوطة بعارضة معدنية في الأعلى، ستجد بأن البكرتين قد قامتا بتكبير قوة الشد التي تقوم بتطبيقها. وتسمى المنظومة التي تستخدم أكثر من بكرة واحدة البكرة المركّبة أو البكرة والحبل.

وتتكون البكرة المركّبة من بكرتين، وتقوم بمضاعفة قوة الشد التي تقوم بتطبيقها بمعدل مرتين. وبعبارة أخرى، تتميز هذه البكرة بفائدة ميكانيكية تعادل فائدة بكرتين.

 

غير أنك هنا تستطيع تحريك الحمل لنصف المسافة باستخدام مقدار جهد الشدّ نفسه الذي تحصل عليه من البكرة الأحادية.

وهناك حدود لعد البكرات التي يمكن للبكرة المركّبة أن تحويها، فكلما زاد عدد البكرات زادت نسبة فقدان الطاقة بسبب عامل الاحتكاك أثناء حركة الحبال على دولاب البكرة، كما أن زيادة عدد البكرات يزيد من وزن الحمولة المُراد رفعها.

 

تنتشر البكرات على نطاق واسع في حياتنا اليومية في الأماكن التي نحتاج فيها لرفع الأحمال. وتستطيع أن تشاهد هذه البكرات أثناء عملها في مواقع البناء والمستودعات.

ابحث على وجه الخصوص عن الرافعات البرجية الضخمة المستخدمة في مواقع البناء، والتي تعتمد على منظومات البكرات المركبة التي تتميز بالتعقيد.

 

البكرات والفائدة الميكانيكية

تبيّن الرسوم البيانية أدناه كيف تعمل منظومات البكرات المختلفة، وعليك أن تتذكر أنه لكي تحصل على الفائدة الميكانيكية الكاملة من كل منظومة يترتب عليك أن تشدّ الحبل باتجاه الأسفل مباشرة بحيث لا يضيع أي جهد إذا كان الشدّ يتم بشكل جانبي.

 

الرسم البياني 1

لا يوجد بكرة في هذا الرسم. وإذا قمت برفع الحمل بالشدّ نحو الأعلى على (A) فأنت تقوم بشدّ كامل وزن الحمل بنفسك. ولا توجد أي فائدة ميكانيكية في هذه الحالة.

 

الرسم البياني 2

يمرّ هنا الحبل عبر دولاب بكرة ثابتة (1) ومن ثم إلى الشخص الذي يقوم بالشدّ. وعندما يبدأ الشخص بشدّ الحبل في (A) تُغيّر البكرة جهة القوة وتشدّ الحمل نحو الأعلى. وفي هذه الحالة أيضاً لا توجد فائدة ميكانيكية، لكن تغيير جهة القوة يجعل مهمة سحب أو شدّ الحمل أكثر سهولة.

 

الرسم البياني 3

نجد هنا منظومة بكرات مؤلفة من بكرتين. والحمل مربوط مباشرة بالبكرة الحرة (1) والبكرة الثانية الثابتة (2) موصولة بالدعامة. عندما يتم سحب الحبل نحو الأسفل في (A) تقوم البكرتان بشدّ الحمل نحو الأعلى في الوقت نفسه، فتتضاعف قوة الشدّ، ونحتاج هنا لنصف الجهد المطلوب لرفع الحمل. غير أن الحبل يجب أن يشدّ ضعفي المسافة، والفائدة الميكانيكية في هذه الحالة تساوي اثنين.

 

الرسم البياني 4

تكون هنا البكرتان الثابتتان (3) و (4) موصولتين بالعمود الحامل، ويتم وصل الحمل ببكرتين حرتين (1و2) المركبتين على المحور نفسه. يربط الحبل بالعمود الحامل ويُلف حول البكرة (1) ثم إلى الأعلى حول البكرة (3) وإلى الأسفل حول البكرة (2) وبعد ذلك فوق البكرة (4).

وعندما يُشدّ الحبل عند (A) تقوم البكرات الأربع برفع الحمل في وقت واحد، ويضاعَف جهد الرفع أربع مرات. ونحتاج هنا فقط إلى ربع الجهد المطبق في الرسم البياني (2) لرفع الحمل. لكن الحبل في هذه الحالة يجب أن يُشدّ لمسافة أبعد بمعدل أربع مرات.

وهذا يعني أن الفائدة الميكانيكية تساوي أربعة. وكي تحسب الفائدة الميكانيكية بسهولة عليك أن تعد طاقات الحبل المسحوبة على البكرة الحرة (لا تحسب الأجزاء غير الداخلة في الشدّ نحو الأعلى).

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]